復合磁性納米粒子的制備及在氧還原中的應用.pdf

1、研究背景及意義：隨著能源危機和環(huán)境污染等問題日益嚴峻，新型能源和能源利用方式的開發(fā)與研究已經(jīng)迫在眉睫。燃料電池因具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等特點備受社會的廣泛關注與研究。催化劑是燃料電池的重要組成部分，制約著燃料電池的發(fā)展，目前商業(yè)化催化劑主要為碳載貴金屬(Pt、Ru、Pd等)型，然而這種催化劑資源稀缺、成本昂貴且催化效率仍然不能滿足商業(yè)化需要。因此，開發(fā)廉價、易得、高性能的催化劑是促進燃料電池商業(yè)化進程的關鍵所在。
　　研究方

2、法：過渡金屬摻雜含氮碳材料，前驅(qū)體資源豐富，制造成本低，在堿性介質(zhì)中的氧還原性能能夠和商業(yè)Pt/C相媲美。然而堿性介質(zhì)易受環(huán)境中二氧化碳的影響，不利于市場化應用。基于以上各種因素本論文研究重點是利用不同的方法對磁性氧化物進行包覆。主要包括：水熱合成葡萄糖三聚氰胺樹脂(GM)包覆四氧化三鈷，經(jīng)碳化形成Co3O4@C-N；利用磁場誘導兩相合成聚苯胺(PANI)包覆四氧化三鐵，經(jīng)碳化形成Fe3O4@C-N；對氨基酚醛樹脂包覆鐵酸鈷，碳化得到

3、CoFe2O4@C-N。并對制備的這三種催化劑進行了物理表征和酸性介質(zhì)中氧化原(ORR)性能研究。
　　研究內(nèi)容：
　　第一部分三聚氰胺葡萄糖樹脂包覆四氧化三鈷衍生物(Co3O4@C-N)的制備在氧化原中的應用。
　　Co3O4@C-N作為一種酸性介質(zhì) ORR催化劑有著優(yōu)異的催化性能，原因是磁性氧化物與氮摻雜碳材料之間存在著協(xié)同作用。從掃描電鏡(SEM)可以看出， Co3O4@C-N是一些類似蠶繭的小顆粒，由于分子間作

4、用力的存在，這些小顆粒團聚交聯(lián)在了一起。由電化學性能可知，Co3O4@C-N的起始電位和極限擴散電流與商業(yè)Pt/C的相差不多，只有半波電位有一些差距。雖然活性比商業(yè)Pt/C低，但是其具有更強的耐受性、抗甲醇中毒能力，以及成本低，資源豐富的優(yōu)點。所以具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?br>　　第二部分兩相界面-磁場誘導合成分級結(jié)構聚苯胺包覆四氧化三鐵衍生物(Fe3O4@C-N)在電催化氧還原中的應用。
　　利用磁場將吸附有苯胺的Fe3O4牽引

5、至兩相界面處進行反應，即可得到聚苯胺包覆的四氧化三鐵(Fe3O4@PANI)，將Fe3O4@PANI再碳化、酸處理，即可得到具有分級結(jié)構的Fe3O4@C-N，研究其在酸性介質(zhì)中的氧還原性能。通過XRD、Raman、SEM等對樣品的成分和結(jié)構做了分析表征。用CV和LSV對其電催化氧還原性能進行了表征，結(jié)果表明：兩相磁場誘導下合成的Fe3O4@C-N在酸性介質(zhì)中的ORR起始電位與兩相攪拌合成、均相合成的基本相同，但是半波電位和極限擴散電流有

6、了明顯的改善。
　　第三部分中空膠囊狀氮摻雜酚醛樹脂包覆鐵酸鈷衍生物(CoFe2O4@C-N)在電催化氧還原中的應用研究
　　此部分主要介紹一種具有中空膠囊狀結(jié)構的CoFe2O4@C-N，對材料的合成方法和在陰極氧還原電催化方面的應用做了一些研究。本實驗合成的對氨基酚醛樹脂包覆 CoFe2O4衍生物的殼層疏松似絮狀物，是一種中空膠囊狀核殼結(jié)構，經(jīng)過熱處理后具有較大的結(jié)晶度。這種獨特的疏松膠囊狀結(jié)構有利于O2在催化劑上的吸附和